CN107926107B - 微波等离子体产生室 - Google Patents

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Abstract

一种用于等离子体产生的微波室。该微波室包括：发射结构，其位于微波室的第一端处以容纳用于产生微波能量的微波源；以及端接区段，其位于微波室的与第一端部相对的第二端部处。该端接区段被构造为大致阻塞微波能量从室的第二端传播。微波室还包括内壁结构，该内壁结构用于将在微波室内接收的微波能量在第一端处朝第二端引导并且限定腔体。该内壁结构包括：阻抗匹配区段，其在第一端和第二端中间；以及电容负载区段，其在阻抗匹配区段和第二端之间，其中电容负载区段包括沿着室的纵向轴线延伸的至少一个脊部。微波室限定延伸过电容负载区段的第一壁的第一开口和延伸过电容负载区段的第二壁的第二开口。第二壁与第一壁相对。第一开口和第二开口被构造为彼此配合以沿着延伸过第一开口和第二开口且大致垂直于室的纵向轴线的轴线在电容负载区段中接收等离子体焰炬。

Description

微波等离子体产生室
技术领域
本公开总体上涉及一种微波室，包括这种微波室的微波等离子体系统以及在这种微波室和微波等离子体系统中使用微波能量产生和维持等离子体的方法。在一些实施例中，本公开涉及用于在光谱学中使用的这种微波室、系统和方法。
附图说明
下面通过举例的方式，参照下面简要描述的附图来进一步详细描述实施例。
图1是根据一些实施例的微波等离子体产生系统的框图；
图2是图1的微波等离子体产生系统的示意图；
图3a是根据一些实施例的图1和图2的微波等离子体产生系统的微波室的局部截面透视图；
图3b是图3a的微波室的端视图；
图4a是根据一些实施例的微波室的局部截面透视图；
图4b是图4a中示出的微波室的横截面顶视图；
图4c是图4a和图4b中所示微波室的端视图；
图5a是图3a和图3b的微波室的电容负载区段的等距视图；
图5b是图5a的电容负载区段的顶视图；
图5c是沿着图5b的线5B-5B截取的电容负载区段的横截面图；
图5d是在图5a至图5c的电容负载区段内的微波驻波的电场强度的说明图；
图5e是沿着图5a和图5c的线5A-5A截取的图5a至图5c的电容负载区段的横截面图；
图5f是在图5e的电容负载区段内的微波驻波的电场强度的说明图；
图6a是根据一些实施例的微波室的一部分的横截面图；
图6b是沿着线6A-6A截取的图6a的微波室的部分的横截面图；
图7a是根据一些实施例的微波室的电容负载区段的横截面图；
图7b是在图7a的电容负载区段内的微波驻波的电场强度的说明图；
图8a、图8b和图8c是根据一些实施例的微波室的电容负载区段的横截面图；
图9a是根据一些实施例的微波室的局部截面透视图；
图9b是图9a中所示的微波室的电容负载区段的侧视图；
图10是根据一些实施例的定位在图5a的电容负载区段内的等离子体焰炬的横截面端视图；以及
图11是微波刺激的等离子体产生的方法的工艺流程图。
具体实施方式
本公开总体上涉及微波室，包括这种微波室的微波等离子体系统以及在这种微波室和微波等离子体系统中使用微波能量产生和维持等离子体的方法。一些实施例涉及用于在光谱术中使用的这种微波室、系统和方法。
等离子体便于将化学样品加热到它被雾化、电离和/或激发以便放出样品中存在的每种元素的光特性以及产生所述元素的离子的位置。然后可以通过光谱仪分析该光，以确定存在的每个元素的浓度，或者可以在质谱仪中分析离子以确定存在的每个元素的浓度。这也被称为光谱化学分析，并且等离子体可用于光谱系统，诸如原子发射光谱仪、光学发射光谱仪和用于光谱化学分析的原子质量光谱仪。
一些实施例涉及用于等离子体产生的微波室，该微波室包括：发射结构，其在微波室的第一端处，用以容纳用于产生微波能量的微波源；端接区段，其在微波室的与所述第一端相对的第二端处，该端接区段被构造为大致阻挡微波能量从述室的第二端传播；以及内部壁结构，其用于将微波室内在第一端处接收的微波能量朝向第二端引导，该内部壁结构限定腔体并且包括在第一端和第二端中间的阻抗匹配区段；电容负载区段，其位于阻抗匹配区段与第二端之间，其中电容负载区段包括沿室的纵向轴线延伸的至少一个脊部；以及其中所述微波室限定延伸过电容负载区段的第一壁的第一开口和延伸过电容负载区段的第二壁的第二开口，所述第二壁与所述第一壁相对；并且其中所述第一开口和所述第二开口被构造为彼此配合以沿着延伸过所述第一开口和所述第二开口且大致垂直于所述室的纵向轴线的轴线在电容负载区段中接收等离子体焰炬，其中所述电容负载区段包括大致矩形区段，所述大致矩形区段包括第一主壁和第二主壁以及第一次壁和第二次壁，所述壁结构的至少一个脊部沿着所述第一主壁和所述第二主壁中的至少一个安置，并且所述第一次壁和所述第二次壁分别包括第一和第二相对的壁。
所述至少一个脊部可以沿着室的中心线安置。所述至少一个脊部可以包括伸出到所述腔体中的第一脊部和伸出到所述腔体中的第二脊部，其中所述第二脊部与所述第一脊部相对。
所述至少一个脊部可以沿着电容负载区段并且沿着阻抗匹配区段的至少一部分延伸。例如，所述至少一个脊部可以包括沿电容负载区段的长度延伸的电容负载区段部分。所述至少一个脊部可以包括沿着阻抗匹配区段的长度延伸并且朝向发射结构渐缩的锥形部分。脊部的锥形部分沿其长度在高度和宽度中的至少一个上可以渐缩。
在一些实施例中，阻抗匹配区段可以朝向电容负载区段渐缩，以促进在微波室的第一端处接收的微波能量传播到电容负载区段中。在一些实施例中，阻抗匹配区段可以包括安置在腔体内的柱或杆中的至少一个，以允许选择性地调节阻抗匹配区段中的腔体的阻抗。
所述至少一个脊部可包括电容负载区段部分，并且脊部的电容负载区段部分可以限定用于接收等离子体焰炬的至少一部分的凹部，并且其中第一开口和第二开口与该凹部配合以容纳等离子体焰炬。凹部可被成形为补偿横跨该凹部的不对称电场强度。例如，凹部可以被成形为关于延伸过第一开口和第二开口的轴线具有旋转不对称性。该凹陷可以限定圆形形状的至少一部分，其中心轴线与延伸过第一开口和第二开口的轴线大致平行并且偏移。
在一些实施例中，所述至少一个脊部可以包括伸出到腔体中的第一脊部，并且包括沿着电容负载区段的长度延伸的第一电容负载区段部分和伸出到腔体中的第二脊部并且包括沿着该沿电容负载区段的长度延伸的第二电容负载区段，其中第一电容负载区段部分与第二电容负载区段部分相对，其中第一电容负载区段部分限定第一凹部，并且第二电容负载区段部分限定第二凹部，并且其中第一凹部和第二凹部与第一开口和第二开口配合以接收等离子体焰炬。例如，第一凹部和第二凹部可以彼此配合以限定呈圆形、多边形、拱形、钝角三角形以及半圆形或矩形的组合的形状。
微波室可包括安置在端接区段中的观察口，并且其中端接区段可以进一步被构造为允许可见光和紫外光通过观察口。在一些实施例中，观察口可以横跨腔体的仅一部分，以允许从侧面观察等离子体焰炬的在第一和第二开口之间延伸的一部分，并且端接区段包括大致C形的横截面轮廓。
微波室还可包括在第一开口和第二开口之间延伸的等离子体焰炬。
一些实施例涉及用于等离子体产生的微波室，该微波室包括：发射结构，其在微波室的第一端处，用以容纳用于产生微波能量的微波源；端接区段，其在微波室的与所述第一端相对的第二端处，该端接区段被构造为大致阻挡微波能量从述室的第二端传播；以及内部壁结构，其用于将微波室内在第一端处接收的微波能量朝向第二端引导，该内部壁结构限定腔体并且包括：在第一端和第二端中间的阻抗匹配区段；电容负载区段，其位于阻抗匹配区段与第二端之间，其中电容负载区段包括沿室的纵向轴线延伸的至少一个脊部；以及其中所述微波室限定延伸过所述电容负载区段的第一壁的第一开口和延伸过所述电容负载区段的第二壁的第二开口，所述第二壁与所述第一壁相对；其中所述第一开口和所述第二开口被构造为彼此配合以沿着延伸过所述第一开口和所述第二开口且大致垂直于所述室的所述纵向轴线的轴线在所述电容负载区段中接收等离子体焰炬；以及其中所述阻抗匹配区段朝向所述电容负载区段渐缩以促进在所述微波室的所述第一端处接收的微波能量传播到所述电容负载区段中。
在一些实施例中，电容负载区段包括大致矩形区段，该大致矩形区段包括第一和第二主壁以及第一和第二次壁，壁结构的至少一个脊部沿着第一和第二主壁中的至少一个安置，并且第一和第二次壁分别包括第一和第二相对的壁。
一些实施例涉及用于在微波室中产生微波刺激的等离子体的方法，该方法包括将包括等离子体形成气体的等离子体焰炬定位在微波室的大致矩形的电容负载区段中，使得所述等离子体焰炬延伸遍及所述室的腔体的宽度，并且通过使分别安置在大致矩形电容负载区段的第一和第二相对次壁中的第一和第二开口配合而沿着大致垂直于室的纵向轴线的轴线被接收，并且其中电容负载区段包括沿所述纵向轴线延伸的一个或多个脊部；将微波能量传递到室的第一端；以及在微波室中将微波能量从第一端部传播到电容负载区段和等离子体焰炬以在等离子体焰炬中产生和维持等离子体。
该方法还可包括大致阻塞微波能量传播通过微波室的第二端，同时允许可见光和紫外光穿过安置在第二端处的端部孔隙。
在一些实施例中，将等离子体焰炬定位在电容负载区段中包括将等离子体焰炬的至少一部分设置在电容负载区段中的一个或多个脊部与电容负载区段的壁之间。在一些实施例中，将等离子体焰炬定位在电容负载区段中包括将等离子体焰炬的至少一部分设置在由一个或多个脊部限定的凹部内。在一些实施例中，将等离子体焰炬定位在电容负载区段中包括将等离子体焰炬定位在电容负载区段内，使得等离子体焰炬的内管的一端大致位于电容负载区段的壁与一个更多个脊部之间。
一些实施例涉及如上所述的用于在微波室中产生微波刺激等离子体的方法，该方法包括将包含等离子体形成气体的等离子体焰炬定位在微波室的电容负载区段中，使得所述等离子体焰炬沿着大致垂直于室的纵向轴线的轴线延伸遍及所述室的腔体的宽度；将微波能量传递到室的第一端；以及在微波室中将微波能量从第一端传播到电容负载区段和等离子体焰炬以在等离子体焰炬中产生和维持等离子体。
现在参考图1，示出了包括大体上以10表示的等离子体产生系统的分光镜系统1000的框图，该等离子体产生系统在光谱学中可用于从吸收微波能量的等离子体形成气体(诸如氮气)产生等离子体。等离子体产生系统10包括偶联到诸如电磁波导管的微波室200的微波源100(诸如，磁控管)。微波室200促进从微波室200的第一端220处的微波源100接收的微波朝向与微波室200的与第一端220相反的第二端230传播。
微波室200被构造为在第一端220和第二端230之间的位置处接收等离子体焰炬300。等离子体焰炬300包括接收端310(在等离子体焰炬的上游端处)和与接收端310相对的下游端320。等离子体焰炬300可以是细长的且延伸过并且横跨微波室200的宽度，并且等离子体焰炬300的下游端320的至少一部分可以从微波室200伸出。等离子体焰炬300的接收端310被布置成从气体源400接收等离子体形成气体和包含来自样品源500的样品的载气。能量被偶联到等离子体焰炬中的等离子体形成气体以在微波室200中维持来自微波的等离子体。
光谱仪600可以在下游端320处或附近与等离子体焰炬300偶联。如果等离子体产生系统10形成原子发射光谱仪或光学发射光谱仪的一部分，则等离子体焰炬300偶联到光谱仪使得光谱仪接收来自等离子体焰炬300内的雾化样品的样品组分的发射光。如果等离子体发生系统10用于质谱仪，则等离子体焰炬300偶联到质谱仪，使得质谱仪可分析来自等离子体焰炬的雾化样品的电离组分。
在使用系统10时，等离子体形成气体、载气和样品从等离子体焰炬300的接收端310朝向下游端320行进。由微波室200从微波源100引导至等离子体焰炬300的微波与等离子体焰炬300内的等离子体形成气体相互作用，从而允许微波能量被等离子体形成气体吸收以产生等离子体。等离子体由等离子体焰炬内的启动部分315(参见图4b和图5e)处的等离子体形成气体形成，其中来自微波的大部分能量被等离子体形成气体吸收以产生等离子体。等离子加热并且相应地激发样品。
现在参照图2，示出了包括微波室200的等离子体产生系统10的示意图，该等离子产生系统10被构造为根据一些实施例以适于产生和维持等离子体的频率来支持期望的微波传播模式。
微波室200包括形成或限定腔体214的内壁结构212。内壁结构212被构造为将从微波源100发射并且在微波室200的第一端220处接收的微波能量朝向微波室200的第二端230引导通过腔体214。在一些实施例中，微波室200，特别是微波室200的内壁结构212可被设计为优化微波的电磁场以产生在等离子炬300内形成的等离子体的期望特性(诸如，形状或位置)，如下面更详细讨论的。
如图2和图3a所示，微波室200可为基本上细长的波导管，其具有纵向轴线(图3a中所示的z轴线)、横向轴线(x)和横向轴线(y)，该纵向轴线在第一端部220和第二端230之间延伸，该横向轴线(x)垂直于纵向轴线延伸并且大致平行于腔体214的横向宽度(WC)，该横向宽度(WC)为室的横截面的最宽内部尺寸，该横向轴线(y)垂直于纵向轴线并且垂直于横向轴线(x)延伸，与腔体214的横向高度(HC)大致平行，该横向高度(HC)是室200的横截面的最窄内部尺寸。
在一些实施例中，第一端220可包括内壁结构212的第一端区段220a，该第一端区段220a在横向(x-y)平面中的横截面在形状上可为大致矩形的。第一端区段220a可具有大于最大横向腔体高度(HC)的最大横向腔体宽度(WC)。这可以使波导管在TE01模式下工作。适合于从微波源100接收的微波传播的腔体尺寸可能取决于微波的频率。在2.45GHz微波要通过微波室200传播的示例性实施例中，第一端区段220a的理论最小横向腔体宽度WC为约61mm。在一些实施例中，第一端区段220a的横向腔体宽度可在约70mm至约86mm的范围内。在一些实施例中，根据美国电子工业联盟(EIA)标准，微波室200的第一端区段220a可具有WR340矩形波导管的尺寸。在一些实施例中，微波室200的第一端区段220a可具有86mm的横向腔体宽度(WC)和34mm的横向腔体高度(HC)。
再次参考图2，微波室200的第一端220可限定开口221以容纳或接纳微波天线102，微波天线102偶联到微波源100并且被构造为将来自微波源100的微波传输或传递到腔体214。在一些实施例中，微波室200的第一端220包括导电壁215，导电壁215充当短路以减轻、阻止或阻塞来自腔体214的微波辐射的通过并且将微波辐射朝向第二端230反射。在一些实施例中，第一端220可包括微波发射结构以允许磁控管(未示出)偶联到微波室200。
在一些实施例中，例如，如图3a和图3b所示，第二端230包括内壁结构212的第二端部231。在一些实施例中，第二端230可包括端接区段或微波截止结构232，以通过对第二端230内的电磁场整形来大致减轻、阻止或阻塞微波能量从第二端230传播离开腔体214。例如，微波截止结构232可阻止微波能量从内壁结构212危险地或不希望地泄漏出来。
在一些实施例中，微波截止结构232可以横跨内壁结构212的第二端部231的腔体宽度。在一些实施例中，微波截止结构232可包括导电材料板，该板横跨第二端部231的腔体宽度和高度，并且该板限定多个孔以形成网状结构(未示出)。
在一些实施例中，如图2和图3b所示，微波室200的第二端230可限定端部孔隙或观察口240以允许从微波室200外部对在腔体214中形成的等离子体进行基于视觉和/或基于装置的观察214。截止结构232可允许可见光和紫外光(例如，波长为160纳米-3000纳米的光)通过端部孔隙240。在一些实施例中，端部孔隙240可延伸通过微波截止结构232，并且来自等离子体的光学光(例如，横跨远红外到紫外线光谱的光)可以通过微波截止结构232并且从端部孔隙240逃逸，从而允许光谱仪的操作者安全地在视觉上观察等离子体焰炬300内的等离子体。替代地或此外，可以使用光电探测器或相机通过端部孔隙240来观察等离子体。
由于微波室200由导电材料形成，所以微波室200通常不是光学透明的。例如，在一些实施例中，微波室200由铝、铜或黄铜形成。由此提供端部孔隙240可允许从沿着等离子体焰炬的长度(例如，下游端)的轴向方向以外的方向观看等离子体。这可使得等离子体能够被观察或监测以用于等离子体发射的光谱分析以及等离子体形状和形式的简单视觉检查以便等离子体的问题拍摄或优化。如上所讨论的，启动部分315是其中在等离子体焰炬300内部最初形成等离子体的位置。在一些实施例中，端部孔隙240被成形或定位成使得启动部分315可从微波室200的外部观察。
在一些实施例中，端部孔隙240可沿着由第二端230处的第二端部231限定的腔体214的宽度的大部分延伸，以提供对等离子体的改进的安全观察。例如，端部孔隙240可以横跨腔体214的至少一部分或大部分，以允许从侧面观察由室300接收的等离子体焰炬300。这对于等离子体发射的光谱分析以及等离子体形状和形式的简单视觉检查可能是有价值的。在其它实施例中，端部孔隙240可限定圆形形状。
在一些实施例中，微波截止结构232可近似作为或充当表现为远远超出截止工作的降低高度的矩形波导管的短路电路。因此，微波不能传播通过微波截止结构232，并且可能仅在截止结构232中产生消逝波，该消逝波将沿着纵向轴线呈指数衰减。因此，如果截止结构232的长度足够长，则消逝波将衰减到将会有可接受的低水平能量泄漏到微波室200外部的环境的程度，并且这种微波截止结构232可以安全地允许通过端部孔隙240在腔体214内的等离子体的侧视图。调节微波截止结构232的长度允许衰减波的指数衰减速率被调节，同时维持等离子体的可观察性。
微波截止结构232可具有固定的形状，或者可在纵向长度上是可调节的，以允许对结构232的连续或周期性的调节以实现阻抗匹配以适应等离子体状态的变化。因此，可以调节最靠近第一端220的截止结构232的边缘与等离子体焰炬300之间的距离。例如，微波截止结构232可包括滑动短路线以允许微波截止结构232充当调谐调节。截止结构232的选择性调谐可以使得能够优化微波室200作为等离子体发生器的性能。
在一些实施例中，与包括图2、图3a和图3b的微波截止结构232和端部孔隙240的第二端230相反，室300可以包括第二端4230，该第二端4230包括微波截止结构4232和端部孔隙4240，如图4a、图4b和图4c所示。类似于端部孔隙240，端部孔隙4240沿着室300的纵向轴线延伸过微波截止结构4232，以允许来自等离子体的光线通过端部孔隙4240从腔体214逃逸。然而，端部孔隙4240沿着室的横向x轴仅横跨腔体214的宽度的一部分，所述横向x轴大致平行于等离子体焰炬300沿着其被接收的轴线。例如，孔4240可以从第二端部4231延伸到微波截止结构4232的壁4241，并且微波截止结构4232可以具有大致C形的横截面轮廓。在一些实施例中，端部孔隙4240被构造成仅允许观察由室200接收的等离子体焰炬300的等离子体，并且微波截止结构4232阻碍(从微波室200的外部)观察例如等离子体焰炬300的一部分，例如从等离子体焰炬300的等离子体将不存在的启动部分315上游的一部分。
通过向室300提供第二端4230，该第二端4230包括微波截止结构4232，该微波截止结构4232限定横跨腔体的仅一部分的端部孔隙4240(例如，具有比腔体宽度WC的更小宽度WA的端部孔隙4240)，实现了在截止结构4232中所产生的消逝波的更快的衰减。结果，所使用的微波截止结构4232沿着纵向z轴可以比其中端部孔隙径240横跨整个腔体宽度WC的微波截止结构232更短。
再次参照图3a，微波室200的内壁结构212可包括第一端区段220a、在第一端区段220a和第二端部231中间的阻抗匹配区段(或过渡部分)222、以及在阻抗匹配区段222和第二端部231之间的电容负载区段224。
电容负载区段224包括腔体214的如下区域：其中电容与腔体中的其它区域不同并且这些区域中的微波的电场强度增加。电容负载区段224被构造为促进从阻抗匹配区段222接收的微波能量通过电容负载区段224传播到由电容负载区段224接收的等离子体焰炬300。在一些实施例中，电容负载区段224可以包括脊形波导管或双脊形波导管。例如，电容负载区段224可以包括沿着室200的纵向轴线延伸的一个或多个脊部218，如下面更详细地讨论的。例如，一个或多个脊部218可由金属或电介质材料构成。
如图2、图3a和图3b所示，微波室200的电容负载区段224限定第一开口226，该第一开口226被构造为接收等离子体焰炬300的一部分，并且限定第二开口228，该第二开口228被构造成接收等离子体焰炬300的一部分。第一开口226延伸过电容负载区段224的第一壁224a到腔体214中，第二开口228延伸过电容负载区段224的第二壁224b到腔体214中，第二壁224b与第一壁224a相对。在一些实施例中，第二开口228允许等离子体焰炬的一部分穿过第二开口228从腔体214伸出。第一开口226和第二开口228被构造为彼此配合以沿着延伸过第一开口226和第二开口228并且大致垂直于室200的纵向轴线的轴线接收电容负载区段224中的等离子体焰炬300。第一开口226和第二开口228被构造为接收等离子体焰炬300，使得等离子体焰炬300延伸遍及并且横跨电容负载结构224的腔体宽度。例如，第一开口226和第二开口228可以彼此对准或配准，并且允许电容负载区段224在等离子体焰炬300的长度基本上横向于由微波室200引导的微波能量的传播方向的构造中接收等离子体焰炬300。
在一些实施例中，电容负载区段224是大致矩形的，包括第一和第二主壁以及第一和第二次壁，并且第一和第二壁224a、224b对应于第一和第二次壁，并且壁212a、212b内壁结构212的第一主壁和第二主壁分别包括电容负载区段224的第一主壁和第二主壁，至少一个脊部218的电容负载区段部分218a沿着该第一主壁和第二主壁安置。
在现有商用微波等离子体源中，波导管被限制为具有至少为微波波长的0.5倍的腔体宽度，以便传播微波能量。对于在2.455GHz附近的微波频率的传统矩形波导管，最小(内部)波导腔体宽度被限制为大于61mm宽。例如，推荐用于2.455GHz微波传播的WR340传统矩形波导具有86.4mm(3.4英寸)的腔体宽度。室200的内壁结构212的一个或多个脊部218被构造为使腔体214中的微波的电磁场成形，从而能够在如下微波室200内传播特定频率的微波：该微波室200的腔体宽度比适于传播该特定频率的传统矩形波导的腔体宽度小。因此，通过为电容负载区段224提供一个或多个脊部218，可以减小电容负载区段224(电容负载区段腔体宽度，WRC)中的腔体宽度，同时仍然允许以特定频率传播微波。在电容负载区段224中包括一个或多个脊部218减小了电容负载区段224的截止频率。
在电容负载区段224中具有减小的腔体宽度意味着光谱仪600可以偶联到等离子体焰炬300，使得光谱仪600和启动部分315之间的距离减小。这可以提供更有效的元素分析。例如，当等离子体焰炬300内的等离子体和样品从焰炬300的启动部分315到下游端320流动经过一定距离时，等离子体和样品相当冷，导致形成的许多离子衰减回到原子状态并且导致许多激发的中性原子衰减回到基态引起自吸收。因此，对于光学分析，从等离子体的热区发出的观察光在它能够被检测之前经过未被激发的原子云。在这段经过的过程中，一些光可以被未受激励的原子重新吸收，从而减小所接收光的强度。在这种情况下，可能导致光谱仪600对样品中的化学物质的敏感性的最终降低，并且导致与所接收的光的强度和样品中存在的元素的浓度之间的线性关系偏离。在质量分析的情况下，要收集的大部分离子可能已经衰变回中性原子，或者可能与其它元素(诸如，氧)结合以形成带电的化合物，这使得对测量的质谱的分析变得复杂。然而，由于室200的电容负载区段224的腔体宽度(WRC)小于传统波导管宽度，所以在光谱仪600可以被偶联到的等离子体焰炬300的启动点310和下游端320之间存在更短的最终距离。结果，与在传统的矩形微波波导管腔体中形成的等离子体相比，等离子体和样品在该较短的距离内不会冷却得太多，从而允许改进的元素分析。
与传统的矩形波导管相比，等离子体焰炬300中的等离子体通常对于微波具有显着更低的阻抗。由于对于特定频率微波而言电容负载区段224的腔体宽度(WRC)小于传统波导管的腔体宽度，所以电容负载区段224对于微波的阻抗也比传统矩形波导具有更低的阻抗。因此，将等离子体焰炬300定位在电容负载区段224中使得等离子体中的微波阻抗与腔体214中的微波阻抗之间更接近匹配，并且改善了微波与等离子体之间的偶联。由于阻抗匹配越近，等离子体吸收的微波能量越多，等离子体反射的微波能量越少。在一些实施例中，电容负载区段224可以不需要虹膜结构，从而简化了等离子体产生系统10的构造。
在一些实施例中，可通过将等离子体焰炬300相对靠近在第二端230处的微波截止结构232定位来实现进一步改进的阻抗匹配，微波截止结构232在微波室200的第二端230处充当短路。在一些实施例中，电场强度与磁场强度的比值可通过调节等离子体焰炬300相对于微波截止结构232的定位来控制。微波截止结构232具有在短路处具有零阻抗点(沿引导器的宽度对准的零电场和最大磁场)，并且阻抗从第二端230朝向第一端220逐渐升高，从而使电场E增大并且使磁场H减小。如上所述，微波截止结构232可以是可调节的，允许选择用于接收等离子体焰炬的电容负载区段224中位置之间的距离，从而可以使火炬位置处的局部阻抗与等离子体阻抗匹配。这个距离相对较小，例如1mm-30mm。这样的布置具有这样的优点，即等离子体如此接近于短路，使得磁场分量基本上与等离子体焰炬300的中心横向轴线轴向地对准，因此相对于等离子体是轴向的。在形成用作光谱的发射和离子源的正确形状的等离子体时，非常需要单独的或与横向电场结合的轴向磁场(沿着x轴对准)。
在一些实施例中，电容负载区段224的腔体宽度(WRC)小于第一端区段220a中的腔体宽度(WC)。例如，电容负载区段224的腔体宽度(WRC)可以比第一端区段220a中的腔体宽度(WC)小2.5倍或更多。如果第一端区段220a具有比电容负载区段224更大的腔体宽度，那么它也将具有更大的微波阻抗。阻抗较大的区域与阻抗较低的区域之间的阻抗不连续部可能导致在不连续部处的微波反射。阻抗匹配区段222被构造为通过将第一端区段220a的阻抗与电容负载区段224的阻抗匹配来促进微波能量从第一端区段220a传播到电容负载区段224中。以这种方式，反射功率可减小并且可改进功率传输，并且在一些情况下，可优化功率传输。
在一些实施例中，阻抗匹配区段222可被构造为使得内部壁结构212的腔体宽度(WC)沿室200的纵向轴线朝向电容负载区段224逐渐减小。因此，腔体宽度(WC)可以从第一端区段220a中的横向腔体宽度减小到电容负载区段224中的横向腔体宽度(WRC)。例如，阻抗匹配区段222可从第一端区段220a朝向电容负载区段224大致向内渐缩，使得横向腔体宽度(WC)沿着室200的纵向轴线朝向电容负载区段224线性地减小。在一些实施例中，阻抗匹配区段222的形状可为大致矩形，阻抗匹配区段222的至少一个次壁可沿室200的纵向轴线朝向电容负载区段224渐缩。例如，在一些实施例中，阻抗匹配区段222可仅使阻抗匹配区段222的次壁之一倾斜或渐缩以减小腔体宽度(WC)，并且阻抗匹配区段222的相对次壁可以是大致笔直的或平面的并且与电容负载区段224的相邻壁形成大致连续的壁。
在一些实施例中，对于约200mm的微波波长，沿室的纵向轴线延伸的阻抗匹配区段222的长度可为约80mm至约100mm，以实现第一端区段220a和电容负载区段224之间的适当的偶联。
在一些实施例中，阻抗匹配区段222可包括诸如四分之一波长阻抗变换器的微波阻抗变换器(未示出)，以使第一端区段220a的阻抗与电容负载区段224的阻抗相匹配。在一些实施例中，阻抗匹配区段222可包括安置在腔体214内的短柱或杆(未示出)，以允许选择性地调节区段阻抗匹配区段222中的腔体214的阻抗。
如图所示，腔体214的高度(HC)在第一端220和第二端230(包括阻抗匹配区段222和电容负载区段224)之间的整个微波室200中是大致均匀的。然而，应理解的是，在一些实施例中，腔体高度HC可在第一端220和第二端230之间变化。在一些实施例中，腔体高度HC可为室200的第一端220中的腔体宽度WC的大约一半。
如上所述，一个或多个脊部218沿着微波室200的纵向轴线并且在腔体214内延伸，并且电容性地加载腔体214在脊部218附近的区域，由此增加那些区域中的微波的电场。
现在参照图3a、图5a和图5b，一个或多个脊部218各自可以从微波室200的内壁结构212的相应壁延伸到腔体214中，并且可沿着微波室200的中心线延伸。一个或多个脊部218可以具有沿横向方向(HR)的脊部高度，沿另一横向轴线的脊部宽度(WR)和沿着室200的纵向轴线的脊部长度(LR)。脊部(HR)的高度可以由脊部表面218c与该脊部从其延伸的相应壁212a、212b之间的最大垂直间距限定。
在一些实施例中，微波室200可包括双脊形波导管。例如，两个脊部218可以从内壁结构212的两个相对的壁212a和212b伸出。例如，第一脊部218可以从内壁结构212的第一壁212a伸出并且沿着室200的纵向轴线延伸，并且与第一脊部218相对的第二脊部218可以从内部壁结构212的第二壁部212b伸出并且纵向轴线室200的纵向轴线延伸。第一脊部218的高度(HR)可以大致等于或不同于第二脊部218的高度(HR)。类似地，第一脊部218的长度(LR)可与第二脊部218的长度(LR)大致相同或不同。
一个或多个脊部218可沿着电容负载区段224的长度延伸，并且可沿着阻抗匹配区段222的整个长度或至少一部分长度延伸。例如，如图3a所示，一个或多个脊部218可包括大致锥形部分218a和电容负载区段部分218b。例如，内壁结构212的阻抗匹配区段222可以包括一个或多个脊部218的锥形部分218a，并且内壁结构212的电容负载区段224可包括电容负载区段部分218b。在一些实施例中，脊部218的渐缩部分218a可沿着阻抗匹配区段222的整个长度延伸，并且电容负载区段部分218b可沿着电容负载区段224的整个长度延伸。
再次参照图3a，由于阻抗匹配区段222中的腔体宽度(WC)沿着室200的纵向轴线朝向电容负载区段224减小，所以阻抗匹配区段222的锥形脊部218a向外渐扩或渐缩，使得其宽度沿室200的纵向轴线增加。在一些实施例中，脊部218的脊部宽度(WR)随着脊部218从阻抗匹配区段222朝向电容负载区段224沿着室200的纵向轴线延伸而增加。例如，锥形脊部218a可以向外渐扩以对应于电容负载区段224中的电容负载区段部分218b的宽度。阻抗匹配区段222的锥形脊部218a也向外渐扩或渐缩使得锥形脊部218a的高度沿室200的纵向轴线增加。在一些实施例中，脊部218的脊部高度(HR)随着脊部218从阻抗匹配区段222朝向电容负载区段224沿着室200的纵向轴线延伸而增加。在一些实施例中，即使室200的腔体宽度(WC)沿着室200的纵向轴线减小，沿着室200的纵向轴线的锥形脊部218a的增加尺寸也允许微波从第一端区段220a传播通过阻抗匹配区段222到电容负载区段224中。因此，阻抗匹配区段222可以促进微波能量从第一端区段220a进入电容负载区段224。通过提供向外渐扩或渐缩的锥形脊部218a，使得锥形脊部218a的高度和宽度沿着室200的纵向轴线增加，可以减轻由于空气中的电击穿而产生火花，这种现象可能导致阻抗匹配区段22具有只有宽度渐缩的锥形脊部218a。
在一些实施例中，与沿着室200的纵向轴线在宽度和高度上增加的锥形脊部218a相反，内部壁结构212的阻抗匹配区段222的一个或多个脊部218可以包括仅在高度上增加的一个或多个锥形脊部6218a，如图6a和图6b所示。锥形脊部6218a可沿着室300的纵向轴线在高度(在横向y维度上的脊部高度)上增加，但是其维持大致均匀的宽度。阻抗匹配区段222中的锥形脊部6218a的脊部高度可以增加，直到该脊部高度匹配电容负载区段224中的电容负载区段部分218b的脊部高度(HR)为止。阻抗匹配区段222中的增加的脊部高度可以如前所述逐渐改变腔体214的阻抗，并且促进微波从第一端区段220a传播到电容性加载部分224中。
在其它实施例中，锥形脊部218a可沿阻抗匹配区段222的横向脊部宽度(WR)和横向脊部高度两者增加。在一些实施例中，一个或多个脊部218可具有多边形横截面或面向腔体214的中心的一侧具有弯曲形状的横截面形状。例如，脊部218可具有形状为正方形、矩形、梯形或半圆形的横截面。
参照图5a至图5f，在一些实施例中，电容负载区段224包括脊部218的电容负载区段部分218b，该电容负载区段部分218b基本居中地沿着腔体214中的横向x轴定位，从内壁结构212的第一和第二壁212a、212b延伸并且沿着室200的纵向轴线z延伸。如图5a最佳所示，横向(x-y)平面中的电容负载区段224的横截面通常限定了具有H形状的腔体214的区域，并且腔体214中的电容负载区段部分218b由间隙213a隔开。现在参考图5b，脊部218的电容负载区段部分218b包括侧壁219a和219b(在y-z平面中)，并且侧壁219a、219b与内壁结构212一起也在间隙213a的任一侧上限定腔体臂区域213b，与电容负载区段部分218b隔开。
在一些实施例中，电介质材料可以位于等离子体焰炬300和一个或多个脊部218之间的间隙213a的一部分中。在一些实施例中，微波截止结构232的高度可以大致匹配脊部(HR)的高度，并且由微波截止结构232限定的端部孔隙240在尺寸上可以对应于设置在脊部218之间的间隙213a。
如图5a、图5b和图5c所示，在一些实施例中，一个或多个脊部218的电容负载区段部分218b限定了凹部227。凹部227可以被构造成与第一开口226和第二开口228配合以容纳等离子体焰炬300。例如，凹部227可以布置成接收一段等离子体焰炬300。如图5c所示，在提供了两个脊部218b的一些实施例中，从第一主表面212a伸出的第一脊部限定第一凹部227a，而从第二主表面212b伸出的第二脊部限定第二凹部227b。第一凹部227a和第二凹部227b可以彼此配合以限定圆形的至少一部分。在存在单个脊部218的实施例中，第一开口226和第二开口228可以被布置为使得等离子体焰炬300的至少一部分可位于与脊部218相对的内部壁结构212的相对主表面212b与脊部218的凹部227之间。
内壁结构212产生与x轴轴向对准的横向磁场分量(横向于纵向Z轴)，因此等离子体焰炬300和横向电场分量(横向于纵向Z轴)与y轴对准，因此不与焰炬300对准。然而，磁场和电场与焰炬300内的等离子体偶联并且将能量传递到等离子体中。
图5f示出了驻波分量的电场强度，且电容负载区段224中的横向电场(TE01模式)具有图5e中所示的横截面。图5f示出了在脊部218之间的间隙213a中的等离子体中的预期电场强度高于在腔体214中的相邻腔体臂区域213b中的等离子体中的预期电场强度。通过将等离子体焰炬300的至少一部分放置在脊部之间具有较高的电场强度的间隙213a中，可在电磁场与焰炬300内部的等离子体之间获得更好的偶联。
图5d示出驻波微波电场强度在沿着腔体214的纵向z方向上减小。例如，在第二端230短路的实施例中，驻波的电场强度在远离短路的微波波长的四分之一处最大，并且减小直至该电场强度在短路处减小到零为止。在等离子体焰炬300所在的电容负载区段部分218b之间的凹部227处的间隙213a中，在等离子体中微波的电场强度与相邻于凹部227的电容负载部段部分218b的部分218c之间的间隙213c中的电场强度相比进一步减小，如图5c和图5d所示。
由于焰炬300具有有限的宽度，所以如果凹部227的形状关于平行于焰炬300的长度的纵向轴线(x)对称，那么(驻波分量的)电场强度遍及焰炬宽度(在z方向上)是不对称的，如图5c所示。等离子体焰炬300内的不对称电场强度会导致不期望的不对称等离子体横截面。例如，这种不对称是不希望的，因为它使得等离子体在较靠近微波源的一侧变得更热，并且这种不平衡可能如此之大以至于导致等离子体的横截面形状形成为月牙状而不是完整的环。
在一些实施例中，凹陷227可以以如下形状形成：该形状沿z方向补偿不对称的电场强度并且由此遍及凹陷227产生更加均匀的电场强度。因此，当等离子体焰炬300被安置在电容负载区段224(或电容负载区段)中时，与如果凹部关于等离子体焰炬300的纵向轴线对称相比，实现了更均匀的电场强度。例如，更均匀的电场强度可包括遍及所述凹部的至少部分均匀的电场强度，因为在所述凹部中存在具有相同电场强度的多于两个区域。
尽管图2至图6的实施例示出了半圆形或弯曲的(由此在y-z平面中的横截面中大体上限定了圆形形状)凹部227，但是应了解，脊部218可以替而包括具有其它形状的横截面的凹部，诸如下面关于图7a、图7b、图8a、图8b、图8c、图9a和图9b所讨论的。
图7a和图7b示出了凹部227的示例，所述凹部227已经被成形为关于横向轴线具有旋转不对称性，所述横向轴线延伸过第一开口226和第二开口228以在凹部227之间的等离子体中产生均匀的电场强度。在图7a所示的实施例中，电容负载区段部分218a中的凹部227a由三个大致平坦的表面限定，当脊部218的纵向横截面(在y-z平面中，或在垂直于等离子体焰炬的纵向轴线的平面中)被截取时，这三个大致平坦的表面与相对的脊部218b中的对应的凹部227b一起限定五角形(半五角形或半菱形形状)的至少一部分。
图8a、图8b和图8c示出了沿着与室的纵向轴线平行的平面的电容负载区段218b的横截面，其中凹部227限定了以下形状的至少一部分：拱形(图8a)、钝角三角形(图8b)以及半圆和矩形的组合(图8c)。然而，可以理解的是，相对的脊部218的凹部227可以限定任何合适的形状，诸如多边形形状。
在一些实施例中，如图9a和图9b所示，凹部227可以在横截面中限定具有旋转轴线227d的半圆形形状，该旋转轴线227d相对于轴线226a大致平行并且沿z轴线在第一开口226和第二开口228之间偏移。例如，延伸过凹部227的旋转轴线227d可以偏移，使得其位于微波室200的第一端部220与轴线226a之间。参考图9b，当等离子体焰炬300被接纳在开口226、228和凹部227中时，焊炬300(以及因此在焰炬内的等离子体)的较靠近第一端220(上游侧)的纵向侧或壁与凹部227的较靠近第一端220的一侧隔开或移位一个距离，该距离大于焰炬300的较靠近第二端230(下游侧)的壁或侧与凹部227的较靠近第二端的部分之间的距离。再参照图5d，等离子体中的在较靠近第二端230的一侧中的电场强度的变化(进一步沿着z方向)远小于较靠近第一端220的一侧上的变化。因此，在具有如图9a和图9b所示的那样定位的凹部227的实施例中，在等离子体中可能存在更均匀的电场强度。在这样的实施例中，由凹部227限定的形状可以具有大于焰炬300的横截面面积的面积，以便将焰炬300接纳在凹部227中。
参照图10，示出了示例性等离子体焰炬300。等离子体焰炬300可以包括诸如石英或陶瓷的高电介质材料的几个同心管，以产生并引导多个不同的气流。如图所示，等离子体焰炬300包括外管330，该外管330沿着焰炬300的长度延伸并且布置成接收等离子体。等离子体焰炬300包括内管350，该内管350安置在外管330内并且大致与外管330同心。内管350从接收端310至少部分地延伸过外管330。在一些实施例中，等离子体焰炬300可以包括安置在外管330内的中间管340，并且内管350可以位于中间管340内。外管330、内管300和中间管340可以同中心地对准。中间管340可以从接收端310部分地延伸过外管330，使得中间管340的开放下游端靠近内管350的开放下游端并且在内管350的开放下游端的更下游。外管330是适于接收来自气体源400的等离子体形成气体。内管350将载气连同夹带的待分析样品给送到外管330中。内管350的介电常数高于其围绕物的介电常数，并且内管350附近的电场强度因此增加。中间管340可以适于将辅助气体进给到外管330中以帮助保持等离子体316远离内管350和中间管340的开放下游端。等离子炬300可以例如是法塞尔火炬。
在一些情况下，当焰炬300定位在传统矩形波导管内部时，所形成的等离子体316可以接触内管350的端部，其腐蚀内管并且最终破坏内管350并因此破坏焰炬300。然而，通过将等离子体焰炬300定位在微波室200的电容负载区段224中，使得内管350的开放下游端(与启动部分315相邻)与脊部218b的上游边缘218c只差一点，如图8所示。所形成的等离子体316的启动部分315可以位于高电场区域213a中或附近(参见图5e和图5f)，而焰炬的内管350保持在较低电场附近并且与等离子体316隔开。即使允许焰炬管330和350增加附近电场强度，电场强度仍可保持足够低以显著降低等离子体316接触内管350的风险。
参照图11，示出了根据一些实施例的用于微波刺激的等离子体产生的方法。该方法可在上述微波室200中实施。方法700包括在702处将包括等离子体形成气体的等离子体焰炬300定位在微波室200的电容性或电容负载区段224中，在704处将微波能量传递至室200的第一端210，以及在706处将微波能量从第一端210传播到电容负载区段224和等离子体焰炬300以在等离子体焰炬300中产生和维持等离子体。
在一些实施例中，该方法进一步包括在708处大致阻塞微波能量传播通过室的第二端230，同时允许可见光穿过安置在第二端中的端部孔隙240。
在一些实施例中，将等离子体焰炬300定位在电容负载区段224中包括将等离子体焰炬布置在电容负载区段224中，使得等离子体焰炬300沿着大致垂直于室200的纵向轴线的轴线延伸遍及室200的腔体的宽度。在一些实施例中，将等离子体焰炬300定位在电容负载区段224中还包括将等离子体焰炬300的一部分定位在由安置在电容负载区段224中的一个或多个脊218中的至少一个脊部限定的凹部227内。例如，在一些实施例中，等离子体焰炬300的至少一部分可以安置在电容负载区段224中的第一脊部218和与第一脊部218相对的第二脊部218之间。
能够引发和维持等离子体的磁场和电场模式的组合存在于延伸过第一开口226和第二开口2228的轴线的显著长度上，即，腔体的x轴尺寸在包括脊部218的区域中比在脊部218外部相对更强。等离子体启动的启动部分315由焰炬300的位置确定，并且气体在焊炬300内流动且可以通过将等离子体焰炬沿着x轴进一步移动到腔体214中或从腔体214移出来调节。如果焰炬300被定位成使得中间管340被放置在室200的外壁和脊部218的最近边缘之间，则中间管340处于场相对较低的区域中。假定中间管340离脊部218不太远，等离子体更可能形成在脊部218起始处场突然升高的点，因此，等离子体不太可能移回到内管并且过度加热内管。如果焰炬300被拔出太远(内管350例如完全位于腔体外部)，则在焰炬300中流动的气体不太可能有助于等离子体的形成并且等离子体可能不会点燃。在一些实施例中，启动点距离焰炬300的内管350大约0-5mm，并且因此，将焰炬300的内管350定位在距脊部218的边缘约0mm-约5mm，等离子体可能在脊部218的边缘处形成。
在一些实施例中，将等离子体焰炬300定位在电容负载区段224中包括设置等离子体焰炬，使得等离子体焰炬300的内管350的开放下游端(与启动部分315相邻)与一个或多个脊部218b的上游边缘218c只差一点，如图10所示。例如，等离子体焰炬300可以被定位成使得等离子体焰炬300的内管的一端大致位于电容负载区段224的第一壁212a和最靠近第一壁212a的一个或多个脊部218之间。
在其中微波室200被构造成以约2.45GHz的频率接收和传播微波的示例性实施例中，脊部218的电容负载区段部分218b可具有约14mm的脊部宽度(WR)，并且电容负载区段224可以具有24mm-36mm的腔体宽度(WRC)和约34mm的腔体高度(HRC)。脊部218可从内壁结构212的主壁212a、212b延伸，使得脊部高度为约14mm(HR)，从而在相对的脊部之间留下约6mm的间隙213a。等离子体的启动部分315和等离子体可以被光谱仪600采样的位置之间的距离(因此等离子体可能潜在地冷却的距离)减小到仅约24mm至28mm(假设3mm的室壁厚度)。如果把焰炬被放在一个具有72mm宽的腔体和3mm壁厚的传统矩形波导管中，则该距离要比等离子体可冷却的距离50-60mm小得多。光谱仪600可偶联到在电容负载区段224中产生的等离子体，离吸收腔体214中的微波能量的等离子体焰炬300的最近部分仅8-10mm。如果等离子体焰炬300被放置在具有72mm宽腔体和3mm壁厚的传统矩形波导管中，则这种距离将是20-30mm。
在一些实施例中，微波室200可使用已知技术(诸如，从金属块机加工或锻造，铸造或3D打印)一体地形成。脊部218和微波截止结构232可一体地形成在一起，或者可单独地形成并且附接到腔体214的壁。在脊部218和/或微波截止结构232独立地形成的一些实施例中，脊部218和/或微波截止结构232可以由与腔体214的其余部分不同的材料形成。在一些实施例中，脊部218由电介质材料独立地形成。如果电介质材料对于微波是透明的，则在一些实施例中，微波室200可以包括横跨腔体(HRC)的整个高度的单个电介质脊部。尽管电介质对于微波是透明的，但是电介质脊部仍然可以影响电容，使得电容负载区段224可以提供用于等离子体产生的微波。在其中脊部218由对微波透明的电介质材料形成的实施例中，可能存在横跨腔体214的高度的单个脊部218，使得在主表面212a、212b之间不存在间隙，除了提供凹部227以容纳等离子体焰炬300的地方之外。
在一些实施例中，电容负载区段224可以作为单独的或分立部件来提供。如本文所述，电容负载区段224可以附接到室200的其它部件，诸如第一端220、过渡或阻抗匹配区段222和第二端230。部件可以通过允许每个部件的内壁结构212之间导电的任何合适的装置彼此附接。在一些实施例中，通过提供凸缘(未示出)以容纳诸如螺栓或螺钉之类的固定部件，电容负载区段224适于偶联到其它部件。或者，电容负载区段224可以与第一端220、阻抗匹配区段222和第二端230中的任何一个或全部一体地形成。
在一些实施例中，微波室200由例如与图3a、图6a和图9a中所示的横截面中的任一个匹配的单独的横向区段组装而成。这些横向区段连接到另一个横向区段。在图6a和图9a所示的实施例中，所述另一个区段可以是其镜像。这些横向区段可以适于例如通过提供凸缘、唇缘和/或螺纹孔以容纳诸如螺栓或螺钉的固定部件而彼此附接。在其它实施例中，横向区段可以钎焊或焊接在一起。
本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开的广义的一般范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。
贯穿本说明书，词语“包括(comprise)”或诸如“包括(comprises)”或“包含(comprising)”的变型将被理解为暗示包括所陈述的要素、整体或步骤，或要素、整体或步骤的组，但不包括排除任何其它元素、整数或步骤，或元素、整数或步骤的组。

Claims (25)

1.一种用于等离子体产生的微波室，包括：
发射结构，其在微波室的第一端处，用以容纳用于产生微波能量的微波源；
端接区段，其在所述微波室的与所述第一端相对的第二端处，所述端接区段被构造为大致阻塞所述微波能量从所述室的第二端传播；以及
内壁结构，其用于将在所述微波室内接收的微波能量朝所述第二端引导，所述内壁结构限定腔体并且包括：
阻抗匹配区段，其在所述第一端和所述第二端的中间；
电容负载区段，其位于所述阻抗匹配区段和所述第二端之间，以及
沿着所述室的纵向轴线延伸的至少一个脊部，所述至少一个脊部沿着所述电容负载区段并且沿着所述阻抗匹配区段的至少一部分延伸，
其中所述电容负载区段限定延伸过所述电容负载区段的第一壁的第一开口和延伸过所述电容负载区段的第二壁的第二开口，所述第二壁与所述第一壁相对；
其中所述第一开口和所述第二开口被构造为彼此配合以沿着延伸过所述第一开口和所述第二开口且大致垂直于所述室的所述纵向轴线的轴线在所述电容负载区段中接收等离子体焰炬，并且
其中所述微波室的第一端限定开口以接纳微波天线，该微波天线偶联到所述微波源并且被构造为将来自所述微波源的微波传递到所述腔体。
2.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述至少一个脊部沿着所述室的中心线安置。
3.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述至少一个脊部包括伸出到所述腔体中的第一脊部和伸出到所述腔体中的第二脊部，其中所述第二脊部与所述第一脊部相对。
4.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述电容负载区段包括大致矩形区段，所述大致矩形区段包括第一和第二主壁以及第一和第二次壁，所述壁结构的至少一个脊部沿着所述第一和第二主壁中的至少一个安置，所述室的第一和第二次壁分别包括所述第一和第二相对的壁。
5.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述至少一个脊部包括沿着所述电容负载区段的长度延伸的电容负载区段部分，并且所述至少一个脊部包括沿着所述阻抗匹配区段的长度延伸并且朝向所述发射结构渐缩的锥形部分。
6.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述脊部的锥形部分沿着其长度在高度和宽度中的至少一个上渐缩。
7.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述阻抗匹配区段朝向所述电容负载区段渐缩，以促进在所述微波室的第一端处接收的微波能量传播到所述电容负载区段中。
8.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述阻抗匹配区段包括安置在所述腔体内的柱或杆中的至少一个，以允许选择性地调节所述阻抗匹配区段中的所述腔体的阻抗。
9.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述至少一个脊部包括沿着所述电容负载区段的长度延伸的电容负载区段部分，所述电容负载区段部分限定用于接收所述等离子体焰炬的至少一部分的凹部，并且其中所述第一开口和所述第二开口与所述凹部配合以容纳所述等离子体焰炬。
10.根据权利要求9所述的微波室，其中，所述凹部成形为补偿所述凹部两侧的不对称电场强度。
11.根据权利要求9所述的微波室，其中，所述凹部成形为具有围绕延伸过所述第一开口和所述第二开口的轴线的旋转不对称性。
12.根据权利要求9所述的微波室，其中，所述凹部限定至少一部分圆形形状，其中心轴线与延伸过所述第一开口和所述第二开口的所述轴线大致平行且偏移。
13.根据权利要求1所述的微波室，其中，所述至少一个脊部包括：第一脊部，其伸出到所述腔体中并且包括沿着所述电容负载区段的长度延伸的第一电容负载区段部分；第二脊部，其伸出到所述腔体中并且包括沿所述电容负载区段的长度延伸的第二电容负载区段部分，其中所述第一电容负载区段部分与所述第二电容负载区段部分相对，其中所述第一电容负载区段部分限定第一凹部，并且所述第二电容负载区段部分限定第二凹部，并且其中所述第一凹部和第二凹部与所述第一开口和第二开口配合以接收所述等离子体焰炬。
14.根据权利要求13所述的微波室，其中，所述第一凹部和所述第二凹部相互配合以限定以下任一形式的形状：圆形、多边形、拱形、钝角三角形和半圆形或矩形的组合。
15.根据权利要求1所述的微波室，还包括安置在所述端接区段中的观察口，并且其中所述端接区段进一步被构造成允许可见光和紫外光通过所述观察口。
16.根据权利要求15所述的微波室，其中，所述观察口横跨所述腔体的仅一部分以允许从侧面观察所述等离子体焰炬的在所述第一和第二开口之间延伸的一部分，并且所述端接区段包括基本上C形横截面轮廓。
17.根据权利要求1所述的微波室，还包括在所述第一开口与所述第二开口之间延伸的等离子体焰炬。
18.一种用于等离子体产生的微波室，包括：
发射结构，其在微波室的第一端处，用以容纳用于产生微波能量的微波源；
端接区段，其在所述微波室的与所述第一端相对的第二端处，所述端接区段被构造为大致阻塞所述微波能量从所述室的第二端的传播；以及
内壁结构，其用于将在所述微波室内在所述第一端处接收的微波能量朝所述第二端引导，所述内壁结构限定腔体并且包括：
阻抗匹配区段，其在所述第一端和所述第二端中间；
电容负载区段，其位于所述阻抗匹配区段和所述第二端之间，以及
沿着所述室的纵向轴线延伸的至少一个脊部，所述至少一个脊部沿着所述电容负载区段并且沿着所述阻抗匹配区段的至少一部分延伸，
其中所述电容负载区段限定延伸过所述电容负载区段的第一壁的第一开口和延伸过所述电容负载区段的第二壁的第二开口，所述第二壁与所述第一壁相对；
其中所述第一开口和所述第二开口被构造为彼此配合以沿着延伸过所述第一开口和所述第二开口且大致垂直于所述室的所述纵向轴线的轴线在所述电容负载区段中接收等离子体焰炬；
其中所述阻抗匹配区段朝向所述电容负载区段渐缩以促进在所述微波室的所述第一端处接收的微波能量传播到所述电容负载区段中，并且
其中所述微波室的第一端限定开口以接纳微波天线，该微波天线偶联到所述微波源并且被构造为将来自所述微波源的微波传递到所述腔体。
19.根据权利要求18所述的微波室，其中，所述电容负载区段包括大致矩形区段，所述大致矩形区段包括第一和第二主壁以及第一和第二次壁，所述壁结构的至少一个脊部沿着所述第一和第二主壁中的至少一个安置，并且所述第一和第二次壁分别包括所述第一和第二相对的壁。
20.一种用于在根据权利要求1至19中任一项所述的微波室中产生微波刺激的等离子体的方法，所述方法包括：
将包含等离子体形成气体的等离子体焰炬定位在微波室的大致矩形的电容负载区段中，使得所述等离子体焰炬延伸跨过所述室的腔体的宽度，并且通过使分别安置在所述大致矩形电容负载区段的第一和第二相对次壁中第一和第二开口配合而沿着大致垂直于所述室的纵向轴线的轴线被接收，并且其中所述电容负载区段包括沿着所述纵向轴线延伸的一个或多个脊部；
将微波能量传递到所述室的第一端；以及
将所述微波室中的微波能量从所述第一端传播到所述电容负载区段和所述等离子体焰炬，以在所述等离子体焰炬中产生和维持等离子体。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括大致阻塞微波能量传播通过所述微波室的第二端，同时允许可见光和紫外光穿过安置在所述第二端处的端部孔隙。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述等离子体焰炬定位在所述电容区段中包括将所述等离子体焰炬的至少一部分设置在所述电容负载区段中的一个或多个脊部与所述电容负载区段的壁之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述等离子体焰炬定位在所述电容区段中包括将所述等离子体焰炬的至少一部分设置在由所述一个或多个脊部限定的凹部内。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述等离子体焰炬定位在所述电容负载区段中包括将所述等离子体焰炬定位在所述电容负载区段内，使得所述等离子体焰炬的内管的一端大致位于所述电容负载区段的壁与最靠近所述壁的一个或多个脊部之间。
25.一种用于在根据权利要求1至19中任一项所述的微波室中产生微波刺激的等离子体的方法，所述方法包括：
将包含等离子体形成气体的等离子体焰炬定位在所述微波室的电容负载区段中，使得所述等离子体焰炬沿着大致垂直于室的纵向轴线的轴线延伸跨过所述室的腔体的宽度；
将微波能量传递到所述室的第一端；以及
将所述微波室中的微波能量从所述第一端传播到所述电容负载区段和所述等离子体焰炬，以在所述等离子体焰炬中产生和维持等离子体。
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